基于TRDP网络的列车人机交互系统_曹朝煜.pdf

2023 年第 5 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2023No 5收稿日期:20221117基于 TDP 网络的列车人机交互系统曹朝煜，杜延鹏，邱岳，栾赛，吴连军(中车工业研究院(青岛)有限公司，山东青岛266108)摘要:以轨道交通列车人机交互显示屏为研究对象，针对当前列车驾驶室人机交互显示屏与车载设备在通信数据量方面所出现的不足，设计了一种基于 TDP 列车实时通信的人机交互系统方案。文中以高性能 I MX 8 为核心处理器搭建硬件系统，采用基于 Linux+QT 开发软件系统，研究并实现了列车显示屏 TDP 通信口的数据接收、发送功能，还验证了其他人机接口的功能。实验证明，显示屏工作运行稳定，通信网络对外收、发状态运行正常，多接口设计可扩展性强，各性能参数满足列车应用场景要求。关键词:TDP;人机交互系统;模块化;Linux;QT;测试平台中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:10021841(2023)05004906Human-machine Interaction System for Train Based on TDP NetworkCAO Zhao-yu，DU Yan-peng，QIU Yue，LUAN Sai，WU Lian-jun(CC Academy(Qing Dao)Co，Ltd，Qingdao 266108，China)Abstract:Taking the human-computer interaction display screen of rail transit train as the research object，aiming at theshortage of communication data between the human-computer interaction display screen of train cab and on-board equipment，ahuman-computer interaction system scheme based on TDP train real-time communication was designed In this paper，highper-formance I MX 8 was used as the core processor to build a hardware system，and Linux+QT was used to develop a software sys-tem The data receiving and sending functions of TDP communication port of train display screen were studied and realized，andthe functions of other man-machine interface were also verified Experiments show that the display screen works stably，the com-munication network runs normally in the external receiving and sending states，the multi-interface design has strong scalability，and all performance parameters meet the requirements of train application scenariosKeywords:TDP;man-machine interaction system;modularization;Linux;QT;test platform0引言在轨道交通列车驾驶室中，列车司机通过列车人机交互显示屏掌握列车当前运行的各项运行参数并控制列车正常运行，因此列车驾驶室的人机交互显示屏是控制列车安全稳定运行的重要组成单元。人机交互系统 HMI(human machine interface)作为列车控制及监控系统 TCMS(train control and management sys-tem)的重要组成部分1，承担着列车运行状态的控制、监测、故障汇报、信息共享等工作。随着列车智能化的提升，列车显示屏需要获取大量数据、视频、语音等，这就对显示屏与列车数据交互性能提出了更高要求。列车显示屏普遍采用多功能车辆 MVB(multifunc-tion vehicle bus)总线、S485 总线、CAN 总线等通信手段。列车实时以太网 TDP(train real-time data pro-tocol)具有列车网络专用、数据传输量大、可靠性高、成本低等优势2，可以考虑作为列车通信网络。结合上述通信总线的广泛运用和积累的技术经验，以太网的广泛运用还需时日，这需要更多集成了列车实时以太网的产品运用到列车通信网络中，只有经过实际运行数据才能积累其未来在列车通信领域的应用价值。本文基于 TDP 通信方式，在兼容当前列车网络正常运行的基础上，通过实时以太网 TDP，显示屏获得列车运行的各项数据，确保列车平稳、安全、可靠运行。1系统方案设计系统整体设计由硬件系统和软件系统设计组成3。在硬件系统设计方面，采用 I MX8 作为核心处理器，其他硬件功能采用模块化电路设计，包含 110 V直流供电模块、TDP 通信模块、LCD 显示模块、音/视50Instrument Technique and SensorMay 2023频模块、CAN 通讯模块、S232 通讯模块、S485 通讯模块以及 USB 模块组成4。列车显示屏通过通信模块与列车通信网络进行各项数据的传输，在经过列车显示屏 CPU 处理后，列车驾驶员通过人机交互的方式从显示屏获取的信息数据。硬件系统控制框图如图 1所示。图 1系统控制框图列车 HMI 作为人机交互平台，其软件操作系统具有运行稳定、操作简洁、开发快捷、维护方便等优点，基于 QT 界面的 Linux 操作系统作为软件开发环境5。其中 Linux 系统具有系统开放源码、便于移植、资源丰富、免费等优势6，同时与 PC 端的 Linux 同出一个内核，所以可以先在 PC 上开发编译，然后移植到其他架构的硬件，为交叉开发提供了便利，在列车 HMI 系统开发领域得到广泛应用。2硬件系统设计列车人机交互显示屏采用高性能多核处理器I MX8 为核心搭建硬件系统;具备高性能、低功耗四核 CortexA53 处理器，最高主频达1 8 GHz;具备多媒体和显示应用，支持高清视频 1080p、H 264 解码;支持多屏显示 MIPI、LVDS、HDMI 等丰富视频接口;具备高速通信接口，可支持 TDP、CAN、S232、S485等通信接口7;提供语音、触摸屏、USB 等人机交互接口;车载级宽温达工业级温宽测试40+125，满足车规级要求;支持多种操作系统(LINUX+QT、Android、Yocto)开发。根据功能需求把硬件系统划分为 110 V电源、人交互组成、列车网络通信 3 组模块，每组模块又根据实际需求进行电路模块设计。列车显示屏硬件结构图如图 2 所示。图 2显示屏硬件结构图2 1电源供电电路本系统供电电源为 110 V 直流电源，由列车共母线辅助供电系统提供，考虑该供电系统由受电弓AC25KV 经 ACDC 变换而来，并同时向列车控制电源、车厢照明、蓄电池等供电，110 V 输入电源不可避免会掺杂各频段的干扰谐波，为避免电压波动和供电电源的不纯净而引起显示屏工作异常8，110 V 供电转换工作电路的设计就显得非常重要。首先电源正、负接 22 H(L1、L2)滤波电感对电源进行一级滤波，依据显示屏额定工作功率加 T3 15A(F1)保险丝并加压敏电阻(1)保护后端电路;其次设计电磁滤波电路进行二级电磁滤波，组成主要包括滤波电容、共模扼流器，其中共模扼流器(FL1)对流经的共模信号进行有效抑制，薄膜电容 X(C1、C9)电容的作用在于滤除差模干扰，安规电容 Y(C2、C3)电容中心点接大地，能有效降低共模干扰;然后采用高效率、宽电压隔离稳压 DCDC 电源芯片 V110C5T75BG，将110 V 直流电源转换成低压 5 V 直流电源，最后在经过三级滤波电路得到可靠的 5 V 直流供电，110 V 转5 V 电路如图 3 所示。图 4 为 5 V 转 3 3 V 供电电路，采用 DCDC 开关稳压芯片 LM14050SDDA，具有输出电压稳定、5 A 持续输出电流、40 A 超低静态工作电流等优势。图 35 V 供电转换电路第 5 期曹朝煜等:基于 TDP 网络的列车人机交互系统51图 43 3 V 供电转换电路2 2TDP 通信电路TDP 通 信 电 路 设 计 选 用 D013E T 板 卡，D013E 是多用途的 10/100 Mbit 以太网接口组件，其以太网接口符合 IEEE802 3 标准，其内部逻辑已适用于“轨道交通电子设备列车通信网络 TCN”标准9。D013E 设 计 有 2 个 冗 余 网 口 分 别 为 TDP1 和TDP2，同时该网口还可以应用在单以太网链路用于星拓扑，双以太网链路用于环/线拓扑，因此在实际应用场景中可以灵活设计。该板卡在列车通信网络中具有传输数据量大、工作稳定可靠、成本低、体积小等优势，所以本系统采用该型号板卡，在实际硬件电路设计中，TDP 板卡的电路原理如图 5 所示。图 5D013E 电路图D013ET 板卡采用直流+3 3 V 电源供电，在电源对地之间加滤波电容(C67、C68)，同时为满足电磁干扰标准，需要在 GND 和大地之间加 Y 型电容(C21)，通过分流共模噪声电流信号来保证电源地的稳定。TDP 板卡设计有不同运行接口模式，为兼容 CPU 支持的外设接口发挥板卡最高性能，本系统选用“SPI 主机界面”模式运行，因此 MODE _1/2 引脚设置为MODE 2:1=10(1 为高电平，0 为低电平)，在模式设置完成后，板卡的其余引脚功能也得到定义。TDP板卡对内与 CPU 的数据传输通过四线制 SPI 接口，CS、SCK、SDI、SDO 引脚分别对应为片选信号、串行时钟、主发从收信号、主收从发信号10。TDP 板卡对外通信配备 2 组冗余设计的 10/100Mbit 以太网接口，分别为 TDP1、TDP2。TDP1 对应图 5 中 TX0+、TX0、X0+、X0引脚，其中 TX0_P、TX0_N 为一组发送数据高速差分信号，X0_P、X0_N 为一组接收数据高速差分信号;同理 TDP2 对应 TX1_P、TX1_N为一组发送数据高速差分信号，X1_P、X1_N 为一组接收数据高速差分信号。通过设计定义把 TDP1作为主通信接口，支持 TCP 和 UDP 传输协议的 IPV4栈;而 TDP2 设计为冗余概念作为备用，同时可以作为 ETH1 被视为一个服务接口。为显示 2 个以太网链路的状态，设计了 4 组用于驱动 LED(D5、D6、D7、D8)的工作电路。设计有独立的串行线 接 口(XD、TXD)，接收指令从串行异步输入引脚到 D013E，发送指令来自 D013E 的串行异步输出引脚。D013E 通过主机接口提供硬件“ESET”机制，如果复位信号ESEET 引脚(TDP_eset_BUF)被置低，则 D013E执行硬复位;如果复位信号被置高，则 D013E 执行正常工作。3系统软件设计列车人机交互平台作为列车驾驶员操控列车平稳运行的重要单元，其软件操作系统要做到系统运行稳定、操作简洁、开发快捷、维护方便等多个方面。本系统采用 Linux+QT 开发软件系统，人机交互软件系统主要有硬件层、内核层、应用层架构模块组成，具体结构如图 6 所示。3 1硬件程序加载模块硬件层作为支撑系统加载与运行的平台，主要包含上电引导加载程序、硬件系统。Linux 系统启动需要 Bootloader 程序，本系统选择 Uboot 作为系统引导程序进行启动，上电引导加载程序流程如图 7 所示。52Instrument Technique and SensorMay 2023图 6软件系统架构框图图 7上电引导加载程序首先硬件系统上电，Linux 系统执行 ATF 加载流程，检查电源状态和系统控制与管理接口;判断核心板卡启动要求是否可信任，判断结果正常执行 Ubootspl，启动主要有供电电源启动、调试串口定制、修改外部 DD 的静态参数、启动 EMMC 特定设备。在 Ubootspl 完成后，Uboot 启动，读取设备树以驱动模型，加载以太网、ESPI、串口、GPIO、MIPI 口等驱动。当 Uboot启动后没有输入指令则启动 Linux 内核，当有输入指令时则进入控制台命令解析。硬件系统由内部存储和外部硬盘组成，其中 LPDD4 是四代低功耗双倍数据率同步动态随机存储器，用于暂时存放处理器中的运算数据，以及与硬盘等外部储存器交换的数据11;EMMC 硬盘是计算机的主要存储介质，操作系统、安装的软件、文件和资料以数据(0 和 1)的形式存储在“仓库”中，软件的操作也是先将数据调用到内存中。3 2内核驱动模块内核层采用可加载的模块化设计，主要有根文件系统模块、进程控制系统、操作系统内核模块、硬件设备驱动模块。根文件系统就是针对特定的操作系统的架构、特定的文件夹、文件夹之间的关系，以高速缓存方式与其他功能模块通信，支持 Linux 系统正常工作的各类文件以及文件系统之间的组合。根文件的开发要根据显示屏的功能需求进行跟文件系统定制开发，如图 8 所示，其开发流程如下:确定根文件系统需求;修改 YOCTO 根文件系统编译脚本，编译原始根文件系统;制作系统替换文件、增加文件;制作修改脚本，在原始根文件系统基础上修改和增加内容，并执行脚本;生成 HMI 定制根文件系统。图 8根文件系统开发流程进程控制系统模块设计由进程调度、进程间通信和内存管理 3 部分组成12。进程调度用于管理核心处理器现有的各项进程资源，在下达进程指令后可以让各个进程快速的访问 CPU 资源;进程间通信是内核为进程之间交换数据，而在内核中开辟一块缓存区用于进程之间相互通信的工作方式;内存管理用于系统各进程运行时共享的暂时存储区域资源，提高内存的有效利用，保证各进程间流畅运行。系统设备驱动程序是软件操作系统与硬件电子设备连接的桥梁，包括 CPU 驱动和硬件设备驱动13。系统内核驱动是 Linux 系统自带得能够支持挂载外部硬件设备的前提，只有系统本身存在支持特定设备的系统内核驱动，才能与硬件设备驱动交互，CPU 驱动和硬件设备驱动在内核层驱动系统之间的关系如图 9所示。硬件设备驱动以设备树挂载的方式通过总线通信接口与硬件电子设备连接，本系统根据设计功能需求，将硬件设备驱动分为 3 类，并进行底层硬件驱动程序的开发，其中 TDP、CAN、S232 等数据通信接口为网络设备;固态硬盘、U 盘等存储文件类为块设备;显示屏、按键、背光等能单个字节读取的为字符设备。3 3应用界面开发模块应用层作为用户与设备交互的窗口为其提供所需的应用服务，基于 QT 界面开发的操作界面包含HMI 系统应用程序和函数库，应用层的程序开发是根第 5 期曹朝煜等:基于 TDP 网络的列车人机交互系统53图 9驱动系统逻辑架构据不同型号轨道列车应用场景开发具体的用户层的程序，并运行在用户空间中满足设计功能需求。本项目通过研究列车显示屏本身以及其人机接口，开发了应用层的测试程序，验证底层硬件驱动程序与应用层调用接口是否通信正常，保证系统整体运行;函数库在 Linux 系统中分为静态库和动态库，本系统根据系统运行实际需求调用不同功能的库函数。显示屏界面采用 QT Creator 进行设计，Qt 是跨平台的图形用户界面应用程序框架，简单地说，就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码14。本系统的开发基于搭建了一套 X86 平台开发环境，如图10 所示。图 10QT 开发环境搭建首先安装 VMware 虚拟机;其次安装 Ubuntu18 04版本操作系统15;然后搭建安装 Qt Creator5 9 5 集成开发环境;安装交叉工具链;最终配置 Qt Creator 各项参数，完成开发系统环境的搭建。通过在 x86 系统搭建开发环境中编译出在 HMI 主机上运行的 QT 应用程序，通过交叉编译工具可以在 AM 平台运行的程序16。这充分利用了 PC 机的运行速度高、平台资源充足、编译环境支持度高等优势，提高了在 Linux 框架下显示屏系统的开发效率。4实验测试根据系统硬件电路设计提供 110V 直流电源，并在列车显示屏设计的 S232 串口处连接串口调试工具，通过串口调试上位机软件对显示屏软件系统进行连接调试。110 V 上电后，可以通过上位机串口调试软件获取上电加载引导程序打印信息。加载完成成后，此时显示屏显示 HMI 系统功能测试平台界面工作正常。HMI 系统功能测试平台界面依据显示屏人机接口进行设计，针对每个人机接口开发测试端口界面，如测试 TDP1/2 对应接口的收、发通信功能是否正常运行，需要进入测试界面的显示的人机接口功能模块。显示屏 TDP 通信接口的功能测试需要自带上位机 TDP 主站软件，待硬件测试环境搭建完成后，需要配置测试上位机 TDP 主站软件与下位机显示屏通信参数。HMI 测试平台中设置发送数据信息，ComID 设为1001，字节数设为 5，周期设为 100 ms，发送方式设置为单播，目标 IP 设置为 192 168 1 100(上位机软件IP 地址)，发送数据设为 aa bb cc dd ee，勾选十六进制发送;上位机 TDP 主站软件设置接收数据信息，Co-mID 设为 1001，字节数设为 5，接收周期设为 100 ms，发送方式设置为单播，目标 IP 设置为 192 168 1 20(下位机设备 IP 地址)，勾选十六进制接收。配置完成后开始测试 TDP 通信的发送和接收功能。4 1TDP 发送数据功能测试在显示屏显示界面中，选中发送数据窗口，输入发送数据为 aa bb cc dd ee，点击右下角发送按钮，可以在上位机 TDP 主站软件接收数据窗口接收到显示屏发送的实时数据，验证显示屏对外发送数据功能正常，测试界面如图 11 所示。4 2TDP 接收数据功能测试在 TDP 主站软件显示界面中，选中发送数据窗口，输入发送数据为 11 22 33 44 55，点击右下角发送按钮，可以在下位机显示屏接收数据窗口中接收到TDP 主站软件发送的实时数据，验证显示屏对外接收数据功能正常，测试界面如图 12 所示。5结束语本文针对传统列车显示屏总线无法满足大数据量传输的情况，提出了一种基于 TDP 网络通信的列54Instrument Technique and SensorMay 2023图 11TDP 发送数据功能测试图 12TDP 接收数据功能测试车人机交互显示技术，满足列车显示屏的实时大数据传输要求，比如列车的实时控制系统、视频监控系统、语音广播系统等;同时对列车显示屏软、硬件系统进行深入研究，设计了丰富的通信接口、开发了基于 QT界面的 Linux 操作系统、实现了系统的开放性、灵活性和可扩展性。随着国内高速速列车快速发展，列车HMI 显示技术仍旧需要不断研究，例如融合 HUD、智能语音识别、手势操作等人机交互前沿技术，实现轨道列车在驾驶上向着更加智能化方向发展。参考文献:1 朱明茗，李时智，马悦 基于以太网技术城轨车辆显示屏故障分析与解决 J 电子世界，2019(15):110112 2 杨海，肖贵平，邓志成 浅谈城轨车辆网络通讯故障处理 J 网络安全技术与应用，2019(11):139140 3 宋亚峰，徐俊刚 基于 SET5000DP9H 型慢应变速率试验机的数据采集及处理系统 J 计量技术，2011(5):2427 4 余春暄，彭婧璇 空调管道清扫机器人控制系统的研究 J 计算机测量与制，2009，17(11):22092212 5 尹诚 基于嵌入式的智能监控机器人设计与实现 D 银川:北方民族大学，2018 6 毛宏 基于 AM 的烟气脱硫在线监测系统的研究D 西安:西安科技大学，2013 7 杜狄松 绿色数据中心能耗监控系统研究D 杭州:浙江工业大学，2015 8 华亮，姜建宁 机车车辆概论 M 北京:北京交通大学出版社，2010 9 国家标准化管理委员会 轨道交通电子设备列车通信网络(TCN)第 2/3 部分:TCN 通信规约:GB/T 28029 42020 S 北京:中国标准出版社，2020 10 陈宁 基于嵌入式 Linux 的 VSAT 室内终端设计 D 西安:西安电子科技大学，2007 11 汪健 笔记本电脑电源系统设计与优化研究 D 苏州:苏州大学，2017 12 石秀民，陈友东 嵌入式系统设计与开发实验:基于 XS-cale 平台 M 北京:北京航空航天大学出版社，2006(下转第 96 页)96Instrument Technique and SensorMay 2023理，避免了因数字降噪程度不同产生的信息丢失问题，同时避免了信号波动对时域参数的影响，能够为钢丝绳损伤信号特征信息提取方法提供新的解决方案。本文主要提出了一种无需去噪就可以直接提取损伤信号时频域特征的方法。在机械故障诊断中由于故障状态复杂和信号噪声干扰源多，通常会同时提取时域、频域、时频域的特征，因此在后续钢丝绳损伤特征信息提取方法研究中，还可同时联合时域和时频域特征，得到向量维度更大、表征能力更强的特征信息提取方法。参考文献:1 杨叔子，康宜华，陈厚桂，等 钢丝绳电磁无损检测M 北京:机械工业出版社，2017:2062 2 刘媛媛 基于无损检测技术的钢丝绳损伤信号的分析研究 D 济南:山东大学，2021 3 钟小勇，陈科安，张小红 基于改进完备集成经验模态分解的钢丝绳缺陷漏磁检测方法 J 工矿自动化，2022，48(7):118124 4 陆文剑 基于 LabVIEW 的钢丝绳缺陷信号处理与定量化方法研究 D 武汉:华中科技大学，2021 5 YAO Y，LI G P，ZHANG X F，et al esearch on wavelet de-noising method based on soft threshold in wire rope damagedetectionC 2020 IEEE 8th International Conference onComputer Science and Network Technology(ICCSNT)IEEE，2020:165170 6 路贵兰 电梯钢丝绳断丝故障检测系统D 石家庄:河北科技大学，2019 7 张守新，李思嘉，张瑜 钢丝绳损伤检测信号的特征量获取方法研究 J 煤炭技术，2015，34(3):271273 8 KINGSBUY N G The dual-tree complex wavelet transform:a new technique for shift invariance and directional filter J IEEE Digital Signal Processing Workshop，1988，98(1):25 9 朱良 基于磁特性的钢丝绳断丝损伤定量检测研究 D 青岛:青岛理工大学，2019 10 ZHAO Z 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南京:南京理工大学，2014作者简介:曹朝煜(1988)，工程师，硕士，主要研究方向为轨道车辆交通装备技术。E-mail:caozhaoyu2012 163 com杜延鹏(1989)，工程师，硕士，主要研究方向为轨道车辆交通装备技术。E-mail:duyanpeng crrcgc cc